減少發(fā)動機(jī)活塞漏氣量的試驗(yàn)研究

程勉宏，龔鵬，李播博

摘 要：文章以解決某發(fā)動機(jī)活塞漏氣量大問題為例，介紹了發(fā)動機(jī)活塞漏氣量的計(jì)算與評價方法，分析了活塞漏氣量產(chǎn)生的原因及活塞漏氣量大對發(fā)動機(jī)的影響，探討了解決活塞漏氣量大的措施，并通過試驗(yàn)證明采取措施的可行性。

關(guān)鍵詞：活塞漏氣量;原因分析;試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號：U464.27 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-145-03

The Experimental Study On Reducing Engine Piston Blow-by

Cheng Mianhong， Gong Peng， Li Bobo

（Shenyang Aerospace University， Liaoning Shenyang 110100 ）

Abstract： Through solving high piston blow-by of an engine problem， this paper introduces calculation and evaluation of the engine piston blow-by， analyzes cause of the piston blow-by and effect piston blow-by on the engine， explores measures for reducing piston blow-by， experiments prove feasibility of the measures.

Keywords： Piston blow-by; Cause analysis; Experimental verification

CLC NO.： U464.27 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-145-03

前言

活塞漏氣量表征發(fā)動機(jī)活塞、缸筒及環(huán)組的密封耐久性，反映了氣環(huán)/活塞/缸套組的氣體密封質(zhì)量，進(jìn)而表征出發(fā)動機(jī)的耐久性及老化程度[1]。它是評定發(fā)動機(jī)的重要指標(biāo)之一。

實(shí)際使用中，活塞、缸筒及環(huán)組密封質(zhì)量差，會導(dǎo)致?lián)Q環(huán)、大修的里程較短，發(fā)動機(jī)起動困難，冬天起動更加困難;發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時達(dá)不到最高轉(zhuǎn)速，降低氣缸壓力，使發(fā)動機(jī)功率明顯降低;燃油消耗增加;機(jī)油變質(zhì);氣缸蓋、排氣管過熱等，其危害性很大[2]。為提高發(fā)動機(jī)的可靠性，應(yīng)對全負(fù)荷最大漏氣量加以限制。

1 發(fā)動機(jī)活塞漏氣量的計(jì)算和評價

根據(jù)《汽車發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》（GB/T19055-2003）附錄A《汽車發(fā)動機(jī)可靠性評定方法》，四沖程發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷時最大活塞漏氣量（Bmax）不得超過限值（BL）[3]。

（1）

式中：C為系數(shù)（選定為0.6%）;Vt為四沖程發(fā)動機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下額定轉(zhuǎn)速時的理論吸氣量，單位為升每分鐘（L/min），即充氣系數(shù)ηV=1;VH為發(fā)動機(jī)排量，單位為升（L）;nr為額定轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分鐘（r/min）;rr 為額定轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時增壓機(jī)的壓比，即壓氣機(jī)出口的絕對壓力po與壓氣機(jī)進(jìn)口絕對壓力pi之比（rr= po/ pi），非增壓機(jī)令rr=1;Tm為進(jìn)氣歧管內(nèi)進(jìn)氣溫度，單位為開爾文（K），非增壓機(jī)令Tm=298K。

依據(jù)上面計(jì)算得出該增壓發(fā)動機(jī)活塞漏氣量限值應(yīng)為：

BL=CVt=0.6%VH（nr/2）rr（298/Tm）

=0.6%×1.8×（5500/2）×1.8×（298/298+40）=0.6%×1.8×2750×1.8×0.88=47.04 L/min

對發(fā)動機(jī)的活塞漏氣量值評價標(biāo)準(zhǔn)見表1所示進(jìn)行評價。

表1 ?活塞漏氣量值評價標(biāo)準(zhǔn)

2 活塞漏氣量偏大的原因

發(fā)動機(jī)全負(fù)荷最大活塞漏氣量（Bmax）不僅與VH、nr、rr及 Tm有關(guān)，還與零件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)質(zhì)量及使用情況有關(guān)，如氣環(huán)/活塞/缸套組的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、加工質(zhì)量、耐久性和潤滑條件等。根據(jù)所研究的發(fā)動機(jī)實(shí)際情況分析，在發(fā)動機(jī)研制和試驗(yàn)中出現(xiàn)活塞漏氣量大，可能是以下幾個方面存在問題：

（1）活塞環(huán)安裝后的對口位置及方向錯誤，將使氣缸內(nèi)的可燃混合氣體通過活塞環(huán)的開口位置泄漏，增大活塞漏氣量。

（2）氣缸孔的尺寸不合格或試驗(yàn)中變形大，會使氣缸內(nèi)的可燃混合氣體通過活塞與缸孔的縫隙泄漏，增大活塞漏氣量。

（3）活塞環(huán)槽尺寸參數(shù)不合格，特別是活塞環(huán)槽的倒角不合格（這里指偏大），或者環(huán)槽底平面傾斜角度不同，將增大活塞漏氣量。

3 發(fā)動機(jī)活塞存在的問題分析

在某款發(fā)動機(jī)磨合試驗(yàn)過程中，連續(xù)16臺中發(fā)現(xiàn)有6臺發(fā)動機(jī)活塞漏氣量測量值偏大，見表2。

表2 ?活塞漏氣量測量值

由上面對發(fā)動機(jī)研制和試驗(yàn)中出現(xiàn)活塞漏氣量大可能存在的幾個方面問題進(jìn)行測量分析。

3.1 活塞環(huán)對口及氣缸孔變形對活塞漏氣量的影響

經(jīng)測量，活塞漏氣量大的樣機(jī)活塞環(huán)對口位置及方向都與裝配時發(fā)生了變化，同時測量氣缸孔的尺寸，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對比，確認(rèn)缸孔變形量。氣缸孔直徑要求是80-80.01 mm，缸孔圓柱度要求是0.012mm。用三座標(biāo)測量機(jī)（PRI -MAR）測量試驗(yàn)前后氣缸孔直徑及變化量，見表3。

表3 ?試驗(yàn)前后氣缸孔直徑及變化量

經(jīng)過對照分析，氣缸孔變形的方向與活塞環(huán)對口及方向之間存在規(guī)律性，說明活塞環(huán)對口及方向與氣缸孔試驗(yàn)過程中變形有關(guān)。

3.2 缸套貼合率對活塞漏氣量的影響分析

將漏氣量大的發(fā)動機(jī)缸套進(jìn)行剖切，發(fā)現(xiàn)其缸套貼合情況不好，這可能使缸孔在試驗(yàn)中發(fā)生變形，影響活塞漏氣量。用缸套貼合較好的缸體替換漏氣量大的發(fā)動機(jī)缸體，其它零部件不變，進(jìn)行磨合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是活塞漏氣量最大值為56.15 L/min，見圖2曲線2;使用替換前的缸體測量的活塞漏氣量為62.7 L/min，見圖2曲線1。活塞漏氣量最大值有所降低，但仍然偏大。因此，缸孔變形和缸套貼合率并不是影響活塞漏氣量的主要原因。

3.3 活塞環(huán)槽倒角對活塞漏氣量影響

試驗(yàn)中的發(fā)動機(jī)使用了兩種型式活塞，活塞1漏氣量偏大;活塞2漏氣量正常;因此對兩種活塞環(huán)槽尺寸進(jìn)行對比測量，測量位置見圖1，測量尺寸見表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，活塞1的環(huán)槽尺寸與設(shè)計(jì)要求相差較多，活塞2的環(huán)槽尺寸基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 ?活塞測量位置

經(jīng)分析，確認(rèn)活塞1的加工過程與活塞2不同。活塞1加工環(huán)槽和環(huán)槽倒角為兩個工序，且定位存在偏差，加工倒角的設(shè)備參數(shù)設(shè)定為0.1（設(shè)計(jì)要求最大為0.1*45度），這樣會存在超差的可能性。針對上述狀況，活塞2將加工倒角的設(shè)備參數(shù)調(diào)到0.02來補(bǔ)償定位偏差。

在缸體及其它零部件不變的基礎(chǔ)上（用貼合率較好的缸體），只更換一組活塞2，進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果是，活塞漏氣量明顯下降，最大活塞漏氣量為50.8L/min，見圖2曲線3，在可以接受范圍內(nèi)，符合要求。證明活塞環(huán)槽倒角對活塞漏氣量的影響較大。

表4 ?活塞環(huán)槽的尺寸測量

3.4 活塞環(huán)槽碟形角度對活塞漏氣量影響分析

上面分析中活塞1和活塞2的一環(huán)槽底平面是傘形，下面將一環(huán)底平面加工成碟形，其具體參數(shù)見表4中活塞3、4。

（1）針對碟形角度超差問題，通過調(diào)整生產(chǎn)設(shè)備的定位夾具，將環(huán)槽的角度調(diào)為碟形，保證工作狀態(tài)的密封性。工藝控制參數(shù)為0.03-0.06/25mm。利用改進(jìn)的工藝加工一批活塞，現(xiàn)場抽取兩件測量碟形角度皆為0.04/25mm，符合要求。

（2）將測量好的活塞裝配在同一臺發(fā)動機(jī)上繼續(xù)進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是活塞漏氣量明顯下降，測量數(shù)據(jù)中最大漏氣量為46.8 l/min，符合該發(fā)動機(jī)漏氣量限值要求，見圖2曲線4、5。

由上面的分析可見，活塞環(huán)槽的倒角超差，活塞環(huán)槽底平面角度是造成活塞漏氣量偏大原因之一。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照更改后的加工過程參數(shù)，加工新的活塞。裝配最新狀態(tài)的缸體（缸套貼合好）和改進(jìn)后的活塞，抽取4臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行磨合試驗(yàn)，測量活塞漏氣量值。

試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見圖3。通過驗(yàn)證試驗(yàn)可見活塞漏氣量在

發(fā)動機(jī)整個工作過程中都控制在發(fā)動機(jī)漏氣量要求限值內(nèi)。

圖2 ?活塞環(huán)槽尺寸參數(shù)對漏氣量的影響

圖3 ?改進(jìn)后發(fā)動機(jī)漏氣量測量結(jié)果

5 總結(jié)

活塞環(huán)對口位置及方向?qū)钊饬坑杏绊懀瑲飧卓鬃冃蔚姆较蚺c活塞環(huán)對口及方向之間存在規(guī)律性，說明活塞環(huán)對口及方向與氣缸孔試驗(yàn)過程中變形有關(guān)。

缸套貼合情況不好，可能使缸套在試驗(yàn)中發(fā)生變形，影響活塞漏氣量。

活塞環(huán)槽加工尺寸及活塞環(huán)槽碟形角度是影響活塞漏氣量的主要因素，缸體（缸套貼合好）和活塞的改進(jìn)可以使活塞漏氣量滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 周保龍.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] GB/T 19055-2003，汽車發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)方法[S].